贾德义先生 沈阳远大机电装备有限公司总工程师
贾德义先生:近几年随着世界经济的飞速发展,能源消耗正逐年增加,石油、煤和天然气等矿物型能源的可开采期已十分有限,节约能源,保持可持续发展成为世界各国的共识。
我国GDP占全球3.8%,但消耗全球能源却占到了11%,这表明我国经济运行仍是高消耗、低效益的粗放型经济增长方式。节能是电机行业一个永恒的主题,电机行业量大、面广且种类繁多,在各行各业都有广泛应用。据统计我国总发电量的70%都被各类电机所消耗,而其中绝大部分又是驱动风机、气压机和泵类流体负载,可以说电动机是“用电大户”,也是节能潜力最大的产业。
沈阳远大机电装备有限公司投入了大量人力和物力进行大中型高压电机节能方面的研究,并取得了一定进展。
1.提高电机自身效率
提高电机效率最直接、最简单的办法是增加材料用量,但这样势必会导致制造成本大量增加,使产品失去市场竞争力。沈阳远大根据近几年电磁线用铜和铁心用硅钢片市场价格波动幅度非常大的状况,采用不同的设计理念,在保持材料成本基本不变的前提下,通过合理使用材料提高电机效率。例如,当铜的价格较高而硅刚片价格降低时,通过增加硅钢片的用量,减少电磁线的用铜量,也就是在选用合理电流密度的前提下,选用较低的线负荷,这样实际材料用量增加了,但和当前的制造成本相比并没有增加,而电机效率却能有效提高。反之当铜的价格降低而硅刚片价格较高时,采取相应措施也可达到同样效果。
在改善绕组结构方面主要是大量采用了三角形—星形混合接法绕组,在一般三相电机的每个60°相带内,将其线圈分为两部分,其中一部分三相间按星形联接,另一部分则按三角形联接,而星形与三角形之间一般采用串联连接,称为三角形—星形混合绕组,如图所示:
采用三角形—星形混合绕组有如下优点:可以消除大部分5次和7次谐波,降低杂散损耗;提高基波绕组系数,提高电机有效材料利用率;显著减少转子表面损耗,降低转子的表面温升;允许采用较小的气隙,使每极所需要的励磁安匝减少,从而减少电机的励磁损耗和发热,同时电机功率因数也有较大幅度的提高,在相同的功率输出情况下,定、转子额定电流减小,定、转子铜耗也随之降低。
电机损耗通常包括定、转子铜耗、铁耗、机械耗和杂散损耗,降低定、转子铜耗需要增加定、转子导体用铜量,这里就不再赘述。
降低铁损耗除选用低损耗硅钢片外,我公司主要采取了先冲片后涂漆的定子冲片制造工艺,涂漆之前要去除毛刺,试验显示采取以上措施后铁耗明显降低,铁心温升下降。
降低杂散损耗主要是选用少槽—近槽配合,同时适当增加定、转子槽数;如上所述采用谐波含量小的绕组形式;在铸铝工艺没有解决横向电流过大的情况下,优先选用铜条转子;加工转子表面时尽量不使片间短路,定子内表面则不予加工。
由于高效率电机减少了损耗,降低了热负荷,在满足电机温升的前提下,可减少冷却风量。试验显示,当冷却风速在一定范围内增加较大时,带走的热量变化并不显著,因此,适当减小风扇外径对电机的温升影响不大,因为风扇的损耗与风扇直径的4次方成正比,所以对降低电机的机械损耗却有明显效果。另外,选择有方向的轴流风扇在2极、4极和6极电机上使用,不仅降低了噪声,而且也大大减少了损耗。传统4极和6极电机一般都使用离心风扇,通风损耗较大,实践证明,只要设计合理,在4极和6极电机上采用轴流风扇完全可以满足冷却要求,降低机械损耗的效果也非常明显。
通过以上措施,大中型高压节能高压电机产品的平均效率指标可比普通电机高出1.5%以上,节能效果显著。
2.提高电机使用效率
电动机只有在额定负载下运行效率才较高,出于安全等方面的考虑,电机常常处于低效运行状态。因此,电机调速节能一直被广泛关注。风机和泵类负载采用电动机调速装置来代替阀门和挡板调节流量有明显的节电效果。这是因为由交流电动机驱动的风机和泵类都是平方转矩负载,它们的流量与转速成正比,压力与转速的平方成正比,功率与转速的立方成正比。即电机转速降低1/2时,所需功率可降至原来的1/8。由此可见调速节能的重要意义。目前,电机调速主要包括变频调速、串级调速和变极调速等3种方式。
3.采用永磁电机提高效率
稀土材料的永磁同步电机具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、损耗小和效率高等显著优点,与感应电机相比,不需要无功励磁电流,可以显著提高功率因数,不但无转子电流及转子电阻损耗,而且减少了定子电流及定子电阻损耗,从而使其效率大幅提高。而且,稀土永磁同步电动机在25%~120%额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数,使轻载运行时的节能效果更为显著。例如,电机应用于风机类负载,当风门开小时,电机功率下降,由于普通感应电机的无功励磁电流基本不变,所以电机功率因数也将下降,效率随之降低;而稀土永磁同步电机则不同,在功率下降时仍可保持较高的功率因数和效率。沈阳远大机电装备公司根据市场需求,针对风机和泵类负载需要频繁调节流量的工况,开发了高、低压系列稀土永磁同步电机,可满足广大客户节能的需求。
总之,高压电机的节能设计是一项系统工程,必须在“节能”和“降耗”多方面综合考虑,采取多项措施,才能取得显著的节能效果。
赵阳先生:所谓高效电机,其实是在普通永磁伺服电机的基础上,通过优化电机生产工艺、采用先进的转子结构及优化的电磁场设计,使电机的工作效率比普通电机提高5~7个百分点。高效电机通常工作电流很小,可节约输配电容量并延长系统运行寿命。以55 kW电机为例,高效电机比一般电机节能15%,电费按0.5元/度计算,其一年内节约的能源费用即可将更换高效电机的费用收回。由于高效电机采用了优化的工艺设计,使得其在机械结构方面,可灵活变化,根据用户的要求制成有框架、无框架和空心轴等多种结构形式。特别在传统行业中代替高速电机+齿轮箱的方案,可大大提高整机效率,减少能耗。
图3 赵阳先生 宁波海天电机有限公司销售工程师
宁波海天电机有限公司的STM系列伺服电机,就是一种高效率的电机,其以交流永磁伺服力矩电机为基础,增加了底脚支撑,并在电机上安装了推力轴承,可承受较大的轴向力。电机输出低转速、高转矩,可替代高速电机+齿轮箱方案,简化设备结构,增加设备可靠性,也克服了齿轮箱维护复杂的问题,基本实现了免维护。该电机驱动效率更高,能有效节约能源和空间,同时还能获得更高的的转矩惯性比,便于快速控制且噪声很低。目前,这类电机在塑料挤出、冶金、石油及瓦楞纸箱等行业都有应用。
但是,由于目前高效电机均采用高性能高耐热的磁钢和漆包线,材料成本比普通效率的电机要高出20%,而且高效电机需要比普通电机使用更多的材料,这也使得高效电机价格较高。此外,高效率电机都需要伺服驱动器来控制,而伺服驱动器的价格往往也很高。以高速电机+齿轮箱为例,一套高效电机的控制方案,其成本基本是前者的2倍,甚至更高。所以在传统机械行业,多数企业很难接受初始成本翻倍的现实,这对高效电机的推广有很大弊端。
另外,虽然我国也制定了普通三相异步电动机效率标准,但并没有相关强制性的政策支持,而且也没有补贴福利等扶持政策,因此企业采用高效电机的积极性不高。
目前,我国高效电机的市场占有率仅有5%左右,还有很大的发展空间。这就需要政府出台强有力的支持政策,并不断提高工业人员的节能环保意识,对其进行相关知识教育,为高效电机的推广铺路。否则我国的高效电机就只能出口到国外,用我国宝贵的金属材料和廉价的劳动力为别人节能,而我们自己却用着高能耗的产品。
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